[04.09.2015] Ob bei Getrieben von riesigen Windkraftanlagen, bei Implantaten wie künstlichen Hüften oder den Kurbelwellen kleiner Hochleistungs-Automotoren – die Anforderungen an die Qualität und Lebensdauer der verbauten Materialen steigt. Die drei Ruhrgebiets-Universitäten Ruhr-Universität Bochum (RUB), Technische Universität Dortmund (TU Dortmund) und Universität Duisburg-Essen (UDE), die unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) kooperieren, forschen gemeinsam auf diesem Feld. Im UA-Ruhr-Projekt Materials Chain untersuchen sie u.a., wie bereits bei der spanenden Bauteilfertigung Bedingungen geschaffen werden, die dauerhaft einen „dritten Körper“ erzeugen können, das so genannte Tribomaterial.

Erreicht werden soll das durch die gezielte Abstimmung von Werkstofftechnik – das übernehmen RUB und UDE – und Fertigung als Aufgabe für die TU Dortmund. Der „dritte Körper“ kann unter bestimmten Bedingungen entstehen, wenn zwei Flächen aufeinander treffen, also beispielsweise zwei Zahnräder eines Getriebes ineinander greifen. Um die Reibung zwischen den Flächen zu vermindern, wird häufig ein Hilfsstoff – etwa Öl – eingesetzt. In diesen wiederum wandern kleinste Partikel, die aus den Metallflächen abgerieben werden. Das gewünschte Tribomaterial entsteht, der Verschleiß des Metallwerkstoffs minimiert sich und im laufenden Betrieb regeneriert sich der „dritte Körper“ im optimalen Fall kontinuierlich.

Die Voraussetzung für das Entstehen des Tribomaterials ist, dass der Werkstoff eine Oberfläche aufweist, die einerseits hart ist, andererseits aber auch über speziell im Einzelnen noch zu klärenden Eigenschaften im Nanobereich verfügt. Um das Material mit diesen scheinbar widersprüchlichen Eigenschaften auszustatten, arbeiten die drei Revier-Universitäten eng zusammen: Vereinfacht gesagt, stellt die RUB die Ausgangsmaterialen zur Verfügung, die TU Dortmund übernimmt das Fräsen, Schleifen und Finishen des Materials, während an der UDE die Analyse der erzeugten Oberflächen und ihres Verhaltens stattfindet.

So wurden an der RUB wurden zunächst Proben erzeugt, charakterisiert und angepasst. Um die Randzonen verschiedener Metallproben zu härten, wurden unterschiedliche Kohlenstoffanteile eingebracht. Diese Proben wurden dann an der TU Dortmund in aufwändigen Finish- und Schleifprozessen bearbeitet. Die Mikrostruktur der bearbeiteten Werkstoffe wurde schließlich an der UDE analysiert. Immer wieder gab es zwischendurch Rückmeldungen, um die Forschung voranzutreiben. Und das ist der springende Punkt.

„Unser gemeinsames Projekt zeigt, dass in der gezielten Abstimmung der Werkstofftechnik und der anschließenden spanenden Bearbeitung großes Potenzial zur Steigerung der Leistungsfähigkeit tribologisch beanspruchter Funktionsflächen besteht“, sagt Sebastian Goeke von der TU Dortmund. „Trotz der erzielten Fortschritte besteht weiterhin erheblicher Forschungsbedarf. Die im Projekt entstandenen Fragestellungen werden sich nur in Kooperation mit weiteren Instituten und Einrichtungen außerhalb unseres Fachgebietes lösen lassen. So stellt beispielsweise die ortsaufgelöste chemische Analyse des Tribomaterials eine wichtige Komponente dar.“ An dieser Stelle kann die Zusammenarbeit mit anderen Fakultäten ansetzen.

Das Projekt ist ein Beispiel für die intensivere Zusammenarbeit der drei Ruhrgebiets-Universitäten unter dem Dach der UA Ruhr: Unter dem Begriff „Materials Chain“ bringen die Universitäten die exzellenten Bereiche ihrer Material‐, Werkstoff- und Produktionswissenschaften zusammen. Materials Chain deckt dabei vom Materialdesign über die Werkstoffherstellung und -veredelung bis hin zur Charakterisierung und Verarbeitung im Produktionsprozess alle Phasen moderner Produktions- und Materialwissenschaften ab.

Weitere Informationen: Sebastian Goeke, Institut für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund, Tel. 0231-755 2528, sebastian.goeke@tu-dortmund.de